可观测Universe第46章 GRO J165540

GRO J1655-40（黑洞） · 描述：一个“飞奔”的黑洞 · 身份：恒星质量黑洞位于天蝎座距离地球约11000光年 · 关键事实：以每小时40万公里的速度在银河系中穿行可能是在超新星爆发中获得了不对称的“踢击”。

GRO J1655-40：银河系中“飞奔”的恒星级黑洞（上篇） 引言：宇宙中的“流浪者” 在银河系这片由千亿恒星编织的浩瀚星海中绝大多数天体都遵循着引力编织的轨道规律——恒星围绕银心旋转行星绕恒星公转星际尘埃在星际介质中缓慢漂移。

但并非所有天体都安于“稳定”。

天文学家曾发现一类特殊的天体它们如同被宇宙巨手抛出的“飞镖”以数百甚至上千公里每秒的速度在星系中穿梭。

其中距离地球约11000光年的GRO J1655-40尤为引人注目：这个被称为“恒星级黑洞”的天体正以每小时40万公里（约111公里/秒）的速度“狂飙”其轨迹足以在百万年内跨越银河系的旋臂。

它的存在不仅挑战着我们对黑洞形成的传统认知更像一把钥匙打开了探索超新星爆发动力学、黑洞动力学演化的新窗口。

本文将从GRO J1655-40的发现历程出发逐步揭开这位“星际流浪者”的神秘面纱。

一、GRO J1655-40的发现：从伽马射线暴到X射线双星 GRO J1655-40的故事始于1994年。

当时美国国家航空航天局（NASA）的“康普顿伽马射线天文台”（CGRO）正在执行全天伽马射线监测任务。

这颗卫星的核心目标之一是捕捉宇宙中最剧烈的能量释放事件——伽马射线暴（GRB）。

这类事件通常持续数毫秒至数小时释放的能量相当于太阳在100亿年中辐射的总和其起源长期成谜一度被认为是大质量恒星坍缩或中子星合并的产物。

1994年7月CGRO的“爆发和瞬变源试验设备”（BATSE）在人马座方向（后经精确坐标定位为天蝎座）记录到一个异常的伽马射线信号。

与典型的短暴或长暴不同这个信号持续时间较长（约数天）且伴随显着的X射线余辉。

这一反常现象引起了天文学家的注意：通常伽马射线暴的高能辐射会迅速衰减而此次事件的X射线余辉持续时间更长暗示可能存在某种持续的能量释放机制。

为进一步追踪这个“神秘源”天文学家转向了X射线和光学波段的观测。

1995年欧洲空间局（ESA）的“X射线多镜面任务”（XMM-牛顿卫星）和美国“钱德拉X射线天文台”（Chandra）先后对准该区域发现了稳定的X射线辐射源。

与此同时地面光学望远镜（如智利的甚大望远镜VLT）在对应天区捕捉到一颗亮度波动的恒星——这正是黑洞吸积伴星物质时产生的特征信号。

通过分析X射线与光学波段的光谱数据科学家确认这是一个X射线双星系统：一颗不可见的致密天体（即黑洞）与一颗普通恒星（后来被证实为蓝巨星HDE ）组成双星对。

致密天体通过强大的引力从伴星表面吸积物质这些物质在下落过程中因摩擦加热形成高温吸积盘释放出强烈的X射线。

基于其X射线辐射特征与质量估算（约7倍太阳质量）这个致密天体被归类为恒星级黑洞并被命名为GRO J1655-40（“GRO”源于发现它的康普顿伽马射线天文台“J”表示赤经“1655-40”是赤经16h55m、赤纬-40°的坐标）。

二、恒星级黑洞的“身份档案”：质量、自旋与吸积盘 要理解GRO J1655-40的独特性首先需要明确其“恒星级黑洞”的本质。

恒星级黑洞是大质量恒星（质量通常超过20倍太阳质量）演化末期的产物：当恒星核心的核燃料耗尽辐射压无法抵抗引力坍缩核心会在瞬间坍缩成黑洞外层物质则可能被剧烈抛射形成超新星爆发。

与星系中心的超大质量黑洞（质量可达百万至百亿倍太阳质量）不同恒星级黑洞的质量通常在3-100倍太阳质量之间是宇宙中最常见的黑洞类型。

GRO J1655-40的质量约为7倍太阳质量符合恒星级黑洞的典型范围。

但更值得关注的是其自旋参数——通过分析吸积盘的X射线光谱特别是铁元素的Kα发射线（一种因强引力场发生相对论性展宽的谱线）天文学家发现它的自旋速度极快接近广义相对论允许的“最大自旋”（即克尔黑洞的极限自转周期仅需数毫秒）。

这种高速自旋并非偶然：吸积盘的物质在落入黑洞时会将角动量传递给黑洞如同给旋转的陀螺不断“上发条”。

GRO J1655-40的高速自旋可能源于其形成时的初始角动量或是长期吸积伴星物质的结果。

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